При изнашивании

Износ является самой распространенной формой старения элементов технических устройств. Он появляется в кинематических парах трения и приводит к следующим видам отказов:

1. Нарушение запроектированных условий смазки;

2. Появление зазоров, превышающих допустимые величины;

3. Снижение прочности деталей вследствие износа.

Кратко и в самых общих чертах рассмотрим физику процесса трения как исходную основу износа.

2.2.1. Физико-механические основы процесса трения.По кинематике осуществления различают два вида трения: трение скольжения и трение качения.

По условиям смазки трение можно подразделить на сухое, жидкостное и полусухое (полужидкостное). Сухое трение осу­ществляется между несмазанными поверхностями деталей. При жидкостном трении трущиеся поверхности разделены между со­бой слоем смазочной жидкости, называемой масляным клином. При этом контакт твердых движущихся поверхностей прак­тически отсутствует. Полусухое, или его еще называют полужид­костное, трение является промежуточным случаем между сухим и жидкостным трением. При перемещении трущихся поверхностей сквозь масляный клин некоторая часть микровыступов каса­ется контрповерхности. Во многих работах этот вид трения на­зывается, граничным трением.

Физическая сущность процессов, протекающих при трении, очень сложна и, несмотря на большое количество исследова­ний посвященных трению, еще недостаточно изучена.

2.2.2. Износ элементов и узлов машин и механизмов.Рассмотрим некоторые физические закономерности и явле­ния, имеющие место при изнашивании.

Общеизвестно, что поверхности деталей машин, как бы тщательно они ни обрабатывались, имеют шероховатую и вол­нистую поверхность. Наиболее гладкие поверхности деталей имеют микровыступы высотой от 0,05 до 0,1 мкм. Наиболее грубые металлические поверхности имеют выступы вы­сотой 100—200 мкм и, даже более. Кроме того, поверхности имеют волнистое строение. Шаг волны колеблется в пределах 1000—10000 мкм, а высота ее колеблется от нескольких микрометров до 40 мкм. В силу такого строения касающихся поверхностей площадь их контакта имеет дискретный характер и всегда значительно меньше, чем номинальная площадь соприкасающихся поверхностей. Дискретный характер кон­такта приводит к тому, что фактическая несущая способность элемента всегда существенно ниже, по сравнению с рассчитанной по номинальной площади.

На величину фактической площади соприкосновения влияют шероховатость, полученная при обработке, прочностные свойства материалов пары и сжимающее усилие. Зависимость фактической площади касания от шероховатости (и волнистости), полученной при механической обработке, выражается следующими данными, которые приведены в таблице 1.

Величины относительной фактической площади касания, приведенные в таблице 1, весьма условны. Малейшие изменения в характере обработки сопряженных поверхностей значительно влияют на фактическую площадь соприкосновения при той же чистоте обработки соприкасающихся поверхностей.

Таблица 1

Фактическая площадь касания поверхностей

Наименование материалов	Сжимающее усилие, кГ/см2	Шероховатость	Sф/Sн в %
Ст9ХС – ст9ХС	Постоянное 50	Rz80	0,1 – 0,05
Ст25 – ст25	Ra 2,5	2 – 6
Ст10 – ст10	Ra 0,63	5 – 15
Медь М2 – М2	Ra0,12	до 30

Примечание: S_ф – фактическая площадь соприкосновения; S_н – номинальная площадь соприкосновения.

Поэтому при проектировании и изготовлении элементов ма­шин, работающих в условиях трения покоя или движения, оценка фактической площади касания является обязательной. Без нее нельзя произвести достоверную оценку ожидаемой безотказной работы элемента.

Характерный вид зависимости S_ф/S_н — Р для материалов образцов из стали У9 приведен на рис. 1. Из графика видно, что эта зависимость в двойных логарифмических координатах выражается прямой линией, которая может быть аппроксимиро­вана следующей формулой:

S_ф/S_н=(m*P*n*100%)/k , (5)

где S_ф/S_н - относительное значение фактической площади касания в процентах; Р — давление между образцами на поверхности; m, n, k — экспериментально определяемые коэффициенты.

Приведенная зависимость определена на металлических электропроводящих образцах.

2.2.3. Закономерности износа элементов машин. Протеканию процессов изнашивания способствует ряд физических факторов, имеющих место при контактировании:

а) усталость материала микровыступов, возникающая под воздействием многократного деформирования;

б) высокие локальные температуры в пятнах контакта. Они приводят к фазовым превращениям в поверхностных слоях металла: диффузии, свариванию и т. д.

Рис. 1. Зависимость относительной фактической площади касания S_ф/S_н от удельного давления для образцов из стала У9

в) окислительные и другие химические реакции, в своем большинстве разупрочняющие поверхности сопряженных дета­лей;

г) молекулярные взаимодействия, называемые также адгезией (при контактировании разнородных металлов) и когезией (при контактировании однородных металлов);

д) химико-механическое действие смазывающей среды (эф­фект Ребиндера). Поверхностно-активные жидкости разрушают детали, вызывая глубокие трещины и охрупчивание материала.

Протекание процесса износа во времени характеризуется за­кономерностями, называемыми типичными кривыми износа. В общем случае типичная кривая износа имеет вид, изображен­ный на рис. 2. На кривой можно выделить три участка, характе­ризуемые различной интенсивностью изнашивания.

1. Участок начального или приработочного износа - I. Он ха­рактеризуется повышенной скоростью изнашивания. Это свя­зано с притиркой соприкасающихся поверхностей, изменением их микро- и макрогеометрии.

2. Участок нормального износа - II. Имеет место равномер­ный износ сопряженных поверхностей с минимальной интенсив­ностью.

3. Участок катастрофического износа - III. Он характеризу­ется резким возрастанием интенсивности изнашивания. Эксплу­атация трущегося узла в период его катастрофического износа недопустима, она может привести к отказам и крупным полом­кам.

Во многих случаях кривая износа не имеет ярко выраженных некоторых участков. Если правильно выбраны материалы трущихся элементов, обеспечена оптимальная технологии изготовления и сборки, то кривая износа может не иметь или иметь очень слабо выраженный начальный участок износа (см. рис. 2б, кривые 1, 2).

Рис. 2. Типичные кривые износа

В ряде случаев участок нормального износа не подчиняется линейному закону (см. рис. 2б, кривая 3).

Когда преобладающим является осповидный износ — питтинг, нередко имеет место такое явление,— в течение некоторого времени износ практически незаметен, и затем сразу наступает катастрофический износ — очень опасный, особенно для под­шипников качения. Этот процесс показан на графике рис. 2б, кривая 4.

Для целей расчета различных характеристик надежности важно знать математическую интерпретацию графических зави­симостей, приведенных на рис. 2. В большинстве работ исключают из анализа приработочный участок (рис. 2а, I) и участок катастрофического износа III. Участок II аппроксимируется прямой линией

h = g*t; h = i_h *L, (6)

где h — функция износа; g — скорость изнашивания; t —время; i_h — интенсивность изнашивания линейная; L — путь трения.

Под скоростью износа понимается изменение износа с те­чением времени

l=dh/dt . (7)

Скорость износа может быть линейной, объемной и весовой в зависимости от того, в каких единицах оценивается износ.

Интенсивность изнашивания характеризует изменение из­носа как функции пути или работы трения

i_h =dh/dL; i_v =dV/dL; i_g =dQ/dL; (8)

или

i_wh =dh/dA_F; i_wv = dV/dA_F; i_wg =dQ/dA_F. (9)

В формулах (8) и (9) обозначено: V — объем, отделившегося (изношенного) материала; Q — вес отделившегося материала; i_h, i_v, i_g - соответственно линейная, объемная и весо­вая интенсивности изнашивания; i_wh, i_wv, i_wg— соответственно линейная, объемная и весо­вая энергетические интенсивности изнашивания; A_F — работа трения (или энергия трения).

Исходя из вышеизложенных соображений, в большинстве иссле­дований для целей расчета элементов трения используется ли­нейная аппроксимация — закон Хрущева М. М.:

h = k*p*L = k*p*V_с*t (10)

где k и p — коэффициенты, определяемые экспериментальным путем, L - путь трения, V_с - скорость скольжения, t - время.